預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁內(nèi)力、張拉的研究

王京來

（江蘇省交通工程集團(tuán)有限公司， 江蘇 鎮(zhèn)江 212016）

0 引言

近十多年來，我國(guó)橋梁工程建設(shè)取得了舉世矚目的成就，在設(shè)計(jì)、施工、防災(zāi)、管理維護(hù)與材料等技術(shù)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了重大突破，比如蘇通大橋、武漢天興洲長(zhǎng)江大橋、南京大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋、山東膠州灣大橋、馬鞍山長(zhǎng)江大橋等，以其獨(dú)有的橋梁設(shè)計(jì)、建造、科研等成就，獲得了大眾的高度認(rèn)可。尤其是在2018 年10月24 日開通了的港珠澳大橋，以其超大的建筑規(guī)模、空前的施工難度以及頂尖的建造技術(shù)而聞名全球，彰顯了我國(guó)橋梁建設(shè)的實(shí)力。但是，近年來橋梁工程面臨不確定性因素多、服役環(huán)境復(fù)雜嚴(yán)酷、施工難度大等難題，對(duì)未來我國(guó)橋梁工程建設(shè)提出了新挑戰(zhàn)。

1 橋梁混凝土性能研究的必要性

混凝土是現(xiàn)代橋梁工程的重要建筑材料。在橋梁工程建設(shè)中，混凝土廣泛應(yīng)用于橋梁索塔、梁體、墩身與承臺(tái)等結(jié)構(gòu)部位。隨著我國(guó)橋梁結(jié)構(gòu)朝著超長(zhǎng)、大跨、深水等方向發(fā)展，橋梁工程亟需面向工程需求的混凝土新技術(shù)。研究橋梁混凝土性能的必要性，主要是：①現(xiàn)代橋梁結(jié)構(gòu)中混凝土開裂現(xiàn)象普遍。錨固區(qū)和索塔根部因應(yīng)力集中易導(dǎo)致開裂；承臺(tái)與墩柱等大體積結(jié)構(gòu)，截面尺寸大導(dǎo)致混凝土水化溫升開裂風(fēng)險(xiǎn)高；箱梁、T 梁、組合梁等薄壁結(jié)構(gòu)具有較大的表體比，因施工后養(yǎng)護(hù)難、水分散失快，導(dǎo)致較大的干燥收縮開裂風(fēng)險(xiǎn)。②橋梁索塔及超高索塔的混凝土泵送，梁體、墩身與承臺(tái)的施工，均要求混凝土工作性能須具備大流動(dòng)性、高流動(dòng)性保持與低粘度的技術(shù)特征，避免工作性能不足導(dǎo)致的橋梁施工進(jìn)度與質(zhì)量問題。③現(xiàn)階段組合梁結(jié)構(gòu)所采用傳統(tǒng)混凝土存在自重偏大，抗拉強(qiáng)度低、應(yīng)變小等缺陷,導(dǎo)致負(fù)彎矩區(qū)混凝土破壞現(xiàn)象頻發(fā)，已成為大型橋梁建造的世界性難題。④未來橋梁工程混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)壽命更長(zhǎng)(120 年以上)、服役環(huán)境日趨復(fù)雜嚴(yán)酷(荷載作用、氯鹽侵入、鋼筋銹蝕、凍融破壞、化學(xué)腐蝕等)、施工環(huán)境更惡劣(大風(fēng)、海浪、深水、高溫等)、施工質(zhì)量控制難度大(優(yōu)質(zhì)砂石骨料缺乏、礦物外加劑品質(zhì)不穩(wěn)定等)，因此未來橋梁工程鋼筋混凝土因耐久性失效破壞的風(fēng)險(xiǎn)更高?？傊瑖@橋梁工程發(fā)展需求來研究混凝土性能，是實(shí)現(xiàn)我國(guó)橋梁強(qiáng)國(guó)的必由之路、很有必要。

2 預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁內(nèi)力、張拉的分析

2.1 預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)中的內(nèi)力

預(yù)應(yīng)力橋梁的設(shè)計(jì)目的，是運(yùn)用力學(xué)原理科學(xué)、合理增加橋梁負(fù)重（承載力），通過運(yùn)用橋梁頂板，鋼索進(jìn)行分力使其達(dá)到能在允許范圍內(nèi)滿足使用的目的。但是，在實(shí)際建設(shè)中，雖然橋梁的設(shè)計(jì)要有科學(xué)依據(jù)，但是理論上所得到的預(yù)應(yīng)力，有時(shí)并不能完全代表實(shí)際橋梁所需要的理想狀態(tài)，往往無法避免受到自然（振動(dòng)、風(fēng)力、溫度等）的影響，尤其是橋梁外部天氣溫度的熱脹冷縮因素，對(duì)橋梁材料影響較大，從而導(dǎo)致橋梁的變形或引起內(nèi)力變化。溫度應(yīng)力有可能造成橋梁的支點(diǎn)或者橋面中的跨度出現(xiàn)裂縫，時(shí)間一長(zhǎng)腹板和底板在溫度的影響和作用下建橋的混凝土容易形成裂縫。所以，需要注意的問題：

2.1.1 縱向預(yù)應(yīng)力筋在橋梁中的分布

橋梁理論與實(shí)踐均表明，縱向預(yù)應(yīng)力筋在橋梁中具有重要作用。橋梁的縱向預(yù)應(yīng)力，主要是在材料的使用和施工上體現(xiàn)，采用一系列的方法例如布置縱向預(yù)應(yīng)力鋼束，將箱部的受力情況進(jìn)行分離，或者將邊跨箱梁端部腹板的箍筋的密度加大，使其更加密實(shí)，從而直徑就會(huì)放大，這些預(yù)應(yīng)力的運(yùn)用對(duì)于克服斜向裂紋十分有效。斜向裂紋一向是威脅橋梁時(shí)用的問題，特殊高科技材料的使用，如碳纖維高分子從細(xì)小的方面防止了此類問題的出現(xiàn)。

通常，在建造時(shí)采取直線束方案的設(shè)計(jì)和采用能達(dá)到理想效果，其設(shè)計(jì)理念是為了使預(yù)應(yīng)力可以將力均勻的分布在橋梁的全斷面上，這樣一來就分流各方向的承壓力，從而克服經(jīng)常困擾橋梁設(shè)計(jì)的剪應(yīng)力。還有要控制橋面的腹板內(nèi)布置一些向下的彎束，使其重量在可控制的范圍內(nèi)。同時(shí)，也將邊跨線澆筑的部短的腹板中布置同樣的彎束，保證向橋梁提供預(yù)剪力。縱向預(yù)應(yīng)力筋可以制約橋梁橫截面上水平力的拉力，減緩由懸臂直接承擔(dān)車輛，從而延長(zhǎng)其使用壽命。

2.1.2 板橋模式

當(dāng)前，從結(jié)構(gòu)形式和經(jīng)濟(jì)成本等角度進(jìn)行考慮，選擇建造輕便式橋梁獲得了廣泛的認(rèn)可。橋梁理論與實(shí)踐也表明，預(yù)應(yīng)力對(duì)于保障板橋模式的橋梁品質(zhì)具有重要作用，可以在極限的負(fù)荷承載情況下，遏制混凝土的壓縮變形，均衡張拉力的分布，以保障車輛行駛的暢通，比普通的材料優(yōu)勢(shì)更突出。

在江蘇某板橋模式的橋梁項(xiàng)目中，發(fā)現(xiàn)其承載力不能滿足實(shí)際要求，在經(jīng)過一定的反復(fù)測(cè)試及分析研究后，采用混凝土板橋橋梁探測(cè)儀的科學(xué)計(jì)算，且對(duì)橋中心的承載極限全過程分析，采用一種叫做碳纖維布的材料,對(duì)普通混凝土建造的空心模板橋梁進(jìn)行加固，結(jié)果表明，使其高強(qiáng)度的性能得到了充分的發(fā)揮，從各個(gè)方向減輕了混凝土空心板的受力，延緩了橋梁的裂縫產(chǎn)生，從而延長(zhǎng)橋梁的使用壽命。

2.2 張拉工作的施工技術(shù)

預(yù)應(yīng)力張拉技術(shù)，是預(yù)應(yīng)力橋梁最具特點(diǎn)的技術(shù)之一，該技術(shù)是指在構(gòu)件投入視同前，提前對(duì)其進(jìn)行拉力的施加，使其產(chǎn)生一定的變形，這樣在構(gòu)件真正投入到使用時(shí)，可以為其額外承受一定重量的負(fù)荷，從而達(dá)到了增加橋梁承受能力的目的。這項(xiàng)工作是預(yù)應(yīng)力橋梁的工程結(jié)束后橋梁整體安全質(zhì)量的重要保證，直接影響其使用壽命。

①在進(jìn)行拉張工作前，一定要做好相關(guān)的檢查和清理工作，確保相關(guān)材料和設(shè)備滿足施工的要求，并對(duì)不合格材料進(jìn)行替換調(diào)整。為確保預(yù)應(yīng)力橋梁的施工質(zhì)量，在拉張工作進(jìn)行過程中，一定要確保工作人員運(yùn)用科學(xué)合理的方法和熟練的技術(shù)進(jìn)行拉張工作，并嚴(yán)格監(jiān)管，從而保證拉張工作的順利進(jìn)行。②在張拉過程中要合理分配并控制各級(jí)張力，同時(shí)進(jìn)行精確記錄，目的是保證鋼束處于繃緊的狀態(tài)，錨具與千斤頂處在同一水平面上，要保障鋼束中每根鋼絞線受到的拉力大小，接近且均衡以避免鋼絞線互相纏繞。同時(shí)，在張拉過程中，一旦相關(guān)設(shè)備或者施工材料出現(xiàn)問題，一定要及時(shí)查看找出問題所在，并及時(shí)補(bǔ)救，對(duì)于不確定、沒把握的重點(diǎn)部位或者問題，要有意識(shí)地進(jìn)行反復(fù)檢查、分析實(shí)際情況，針對(duì)相關(guān)問題進(jìn)行有效預(yù)防。

3 結(jié)束語

本文以上提到的預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁，在當(dāng)前橋梁建設(shè)應(yīng)用很普遍，譬如斜拉橋、連續(xù)梁橋式等類型。實(shí)踐表明，預(yù)應(yīng)力是一種為了避免橋梁中的裂縫的出現(xiàn)，運(yùn)用高強(qiáng)度鋼筋及混凝土，施加外力后使各部件受力減小的科學(xué)防護(hù)手段。在實(shí)際施工中：一方面，我們應(yīng)根據(jù)建筑地具體情況因地制宜進(jìn)行選擇橋梁種類，另一方面，應(yīng)注意避免過度講求橋身輕便、造價(jià)低的橋梁結(jié)構(gòu)。

總之，橋梁工程是連接空間、區(qū)域的重要紐帶，是交通基礎(chǔ)建設(shè)中的控制性節(jié)點(diǎn)工程。預(yù)應(yīng)力的使用增加了橋梁材料質(zhì)量，有效減輕橋面的承壓力，改變預(yù)應(yīng)力橋梁的微觀結(jié)構(gòu)，使受力更加科學(xué)合理，具有更加良好的抗壓性，還可大大提高橋梁各部件的使用壽命，值得進(jìn)一步應(yīng)用實(shí)踐。